Защо ядрените батерии така и не станаха популярни: ревю

В миналото фантастите предричаха, че бъдещите транспортни средства ще се задвижват от атомни източници на захранване. Малка батерия, която в илюстрациите обикновено е показана като светеща, би трябвало да замени хиляди литри бензин или дизелово гориво. Почти безкрайната енергия на тези батерии трябваше да използват и космическите кораби, полетели в безкрайните простори на Вселената. Но не стана точно така. Всъщност ядрените батерии се използват още от шестдесетте години на миналия век и всяка от тях има своя история.

Ще се спрем на радиоизотопните термоелектрически генератори (radioisotope thermoelectric generator – RTG или RITEG). Това са източници на електроенергия, използващи топлинната енергия, отделяща се при естествения разпад на радиоактивните изотопи и преобразуващи я в електроенергия чрез термоелектричен преобразовател (термодвойка от полупроводници или различни метали), чрез термоемисионен преобразовател, чрез двигател на Стърлинг и други.

RITEG генераторите бяха замислени да дават електрическа енергия предимно за космическите апарати, но после тяхната сфера на използване бе разширена и те се появиха в медицинските апарати и някои други области. Според официалните документи, тази технология за първи път е използвана от американските военни в сателитите Transit 4A и 4B. Ядрената батерия за тях е разработена в рамките на програмата SNAP-3.

Преди SNAP-3 се появява SNAP-1 – тестова платформа, в която се използва цикъла на Ренкин за преобразуване на топлината в работа, като платформата се базира на изотопи на церия и на живака. Проектът се оказва успешен, като специалистите започват да търсят начин за защитата на бъдещите астронавти и товар от вредното въздействие на радиацията, като теглото на този RITEG не трябва да е много голямо, за да може съответната ракета носител да излети.

При SNAP-2 се използва щит от радиацията във вид на пресечен конус от литиев хидрид. Реакторът е поставен в този конус, а капсулата с бъдещия екипаж – под неговата долна част. Последвалите тестове показват, че идеята не е особено удачна и радиацията пробива тази защита. Освен това конструкцията е твърде взривоопасна.

Конструкцията многократно е променяна и накрая е намерен подходящия компромис: това е SNAP-3, който става първият RITEG, използван в космическа програма. Това са ядрени батерии, в които са използвани 96 грама плутоний и инсталирани във военните навигационни сателити Transit 4A и 4B. Тези атомни батерии дават по 2,5 W електрическа енергия и много повече топлинна енергия. Това е 1961 година.

Но след около една година Transit 4B и някои други сателити са повредени от проведените от САЩ ядрени изпитания в рамките на програмата Starfish Prime. Тогава на височина 400 километра е взривен 1,44 мегатонен заряд, който образува гигантски фойерверки, но едновременно с това поврежда собствената сателитна техника. Дотогава енергията на сравнително малките атомни батерии не е приемана особено сериозно.

Първият съветски сателит с RITEG е Космос-84, като неговото движение може да се наблюдава и сега. Той е оборудван с ядрената батерия Орион-1, което става през 1965 година.

В тези времена се правят много грешки с тази технология, особено когато в надпреварата с „радиоактивните сателити“ се включва и СССР, който в началото използва полоний-210, а след това уран-235. Понякога атомните батерии падат в океана, други изгарят в атмосферата или са унищожени още при изстрелването. В орбита около Земята се образува ужасен космически боклук. Това подтиква американските специалисти да създадат системи, които се активират едва след отдалечаване от Земята.

Това е важно, понеже плановете са мощността на ядрените батерии да бъде значително увеличена. В тази област особено много преуспява СССР, който бързо, още през 1970-те години, преминава към батерии с електрическа мощност няколко киловата. През 1975 година САЩ изстрелва в космоса сателити с ядрена батерия с мощност 500 W и топлинна мощност 40 KW. Това е мисията SNAPSHOT и апаратът SNAP-10A с компактна атомна батерия – нейната дължина е около 40 см и диаметър малко над 22 см, но теглото на това устройство е 290 кг.

Тук е време да кажем, че през 1970-те години както НАСА, така и СССР, изучават възможността за създаването на наистина мощна ядрена инсталация, която може да задвижва ракети и космически кораби. Това не са атомни батерии, а мощно ядрено устройство.

Така например, в рамките на проекта NERVA са тествани ядрени ракетни двигатели, които могат да генерират го 4500 мегавата топлинна енергия и 1,1 милиона нютона реактивна тяга, което е половината от тягата на ракетния двигател на Космическата совалка. Този ядрен двигател може непрекъснато да работи в продължение на 90 минути. Огромният плюс на тези ядрени ракетни двигатели е значително намаленото време на полет. Но това е друга история, която е актуална и днес, и на която ще се спрем друг път.

Първите RITEG батерии излизат извън орбитата на Земята през 1969 година. Едната от тях се използва за подгряване на техниката по време на мисията Аполо-11. Другата е поставена за захранване и отопляване на научните инструменти ALSEP за изучаване на Луната при Аполо-12 и следващите мисии до Луната.

През 1970 година СССР използва в Луноход-1 свой RITEG, работещ с радиоизотопен нагревател (RHU). Разбира се, тези ядрени батерии се използват от САЩ и СССР както за захранване, така и осигуряване на нормална температура за работата на електрониката.

Редица експерти са на мнение, че не може да се създаде RITEG батерия с висока ефективност. Засега това наистина е така. Но тези ядрени батерии са на практика незаменими при изпращането на космически сонди на свръхдалечни разстояния – там, където слънчевите панели са безполезни. Първа в тази област е междупланетната станция Пионер 10, изведена в космоса на 3 март 1972 година.

Тази сонда има четири RITEG батерии тип SNAP-19s, които се използват както за електрическо захранване, така и за подгряване на електрониката. При изстрелването те генерират 155 W електричество, но когато приближават Юпитер тяхната мощност пада до 140 W. Това е повече от достатъчно за системите, които консумират 100 W. Но към 2001 година енергията едва достига за поддръжка функционирането само на някои модули.

Поредната стъпка в развитието на тази технология е ядрената батерия MHW-RTG за Вояджърите, изпратени в своето далечно пътешествие през 1977 година. Преди да бъдат изпратени в далечния космос, тези батерии са тествани в околоземна орбита. Всеки един от тези сателити има по три RITEG батерии с обща електрическа мощност 370 W, като са проектирани по такъв начин, че електрическата мощност да намалее двойно след 88 година. Източници на енергия са 24 пресовани сфери от плутониев оксид. Освен това тази сателити носят и по девет RHU батерии, които се използват само за подгряване на техниката.

Две години след изстрелването на Вояджърите, САЩ временно излиза от тази своеобразна надпревара, а в същото време СССР увеличава броя на изстреляните сателити с ядрени батерии. Това са космическите апарати УС-А, в които са инсталирани ядрените енергийни инсталации тип БЕС-5 „Бук“, в които се използва уран. Тяхната електрическа мощност в 3 KW при топлинна мощност 100 KW, което значително превъзхожда американските модели, които работят на друг принцип.

Но срокът на работа на „Буковете“ е малък – едва около 6 месеца, след което сателитът се превръща в космическо боклук, излъчващ радиация. Тези сателити въпреки че вече не работят, и сега са в орбита около Земята. Късото време на работа налага често изстрелване на ракети, но тогава започват някои проблеми с изстрелванията. Малко по-късно батериите БЕС-5 са заменени с новите модификации „Топаз“, който са двойно по-мощни от предишните. Но от новите батерии получават само два сателита, единият от които е унищожен.

След това ситуацията се променя. След разпада на СССР единствено САЩ продължава да развива и усъвършенства тази технология. Така се появяват батериите GPHS-RTG (модернизирани RITEG). Но тяхната ефективност и КПД остават същите.

Новите ядрени батерии се използват в автоматичната междупланетна станция Одисей (Ulysses) за изучаване на Юпитер и Слънцето. Същата батерия е поставена в спускаемата сонда Галилео за изследване атмосферата на Юпитер, в станцията Касини-Хюйгенс за проучването на Сатурн и неговите пръстени и спътници, в космическия апарат Нови хоризонти за изследване обектите на Слънчевата система.

И накрая, на базата на старата SNAP-19 е разработена системата MMRTG, която даде възможност на роувъра Curiosity да изследва Марс, и която му помага и до днес.

Китай също използва тази технология, но информацията за това е малко., Знае се само, че ядрена батерия от типа RITEG е използвана в космическата станция Чанъе-3 и роувъра Юйту, който кацна и изследва Луната. Не е известно дали тези батерии са използвани за захранване или само за отопление – данните са противоречиви. Предполага се, че RITEG батерията е използвана само като дублираща система на слънчевите панели.

Какво следва?

НАСА и министерството на енергетиката на САЩ започнаха експеримента Kilopower, в рамките на който се планира създаването на ядрена система от нов тип, която ще даде възможност за по-активно пътешестване в рамките на Слънчевата система. Но това вече не са атомни батерии, а мощни стационарни системи, работещи с обогатен уран. Според специалистите, в тази система е постигнат коефициент на полезно действие около 30%. За сравнение, RITEG батериите имат КПД от 2 до 7%, който дори в лабораториите не надхвърля 10%.

Работи се и по проекта NERVA, който има за цел създаването на ядрен ракетен двигател за междупланетни полети. През 2019 година излезе информация, че е осигурено финансирането на проекта и може би през 2024 година ще бъде показан първия прототип.

Що се отнася до ядрените батерии, най-ефективните от тях засега могат да се видят само в научнофантастичните романи. Последно време плутоният, уранът и другите елементи от този тип от таблицата на Менделеев на практика не се разглеждат като източници на захранване.

По всичко личи, че поредната MMRTG батерия ще получи марсианският роувър Perseverance (настойчивост, упоритост). който трябва да кацне на Червената планета в началото на 2021 година. Той ще се заеме с търсенето на древен живот, ще изучава марсианските региони и ще търси лед.

Но използването на тази технология вече е под въпрос предимно заради липсата на плутоний, от който имаше много заради студената война. Към днешен ден производството на този химичен елемент е твърде скъпо и стана икономически неизгодно. Някои ядрени реактори генерират плутоний, но в съвсем малки количества – около стотина грама годишно.

Основни достойнствата на RITEG батериите:

• Изключително опростена конструкция
• Може да работи години и десетилетия, като деградира постепенно
• Може да се използва едновременно за захранване и подгряване на електрониката
• Не се изискват наблюдение и управление на процесите

Недостатъци на RITEG батериите:

• Необходими са редки и скъпи изотопи, които се използват като гориво
• Производството на това гориво е сложно, скъпо и бавно
• Малък КПД
• Оптималната мощност е няколко стотици вата. RITEG с мощност няколко киловата е слабо оправдан, а с мегавати на практика няма смисъл, понеже ще бъде твърде скъп и тежък